郴寧高速公路虎形山隧道塌方處理方法探討

作者簡介：王鳳觀（1983—），工程師，主要從事公路橋梁工作。

在地質不良的地段修筑隧道，易發生塌方事故，極大地影響工程建設。文章結合工程實例，在分析隧道塌方成因的基礎上，提出隧道塌方的處理和防治措施，對施工有一定的指導意義。

隧道;塌方冒頂;原因分析;處理措施

U458.3A341163

0 引言

近些年來，隨著大規模建設高速公路、鐵路項目，隧道越來越多，規模也越來越大。但在隧道施工的時候，由于很多因素造成的約束，如地質不良、地質狀況與設計情況不相符、施工方法不正確等問題，施工中容易出現塌方地質災害。塌方是比較嚴重的地質災害，一旦產生塌方，不僅增加施工難度，影響施工時間，產生額外的經濟損失，嚴重時甚至發生重大質量安全事故。因此，在隧道施工中應預防塌方現象發生，如無法避免，必須采取合理的處置手段，以減少塌方帶來的危害。

1 工程概況

虎形山隧道為郴州至寧遠高速公路第二合同段關鍵控制性工程之一，設計為雙向四車道分離式隧道，隧道左線長1 015 m，隧道右線長

985 m。隧道穿越虎形山脈，山高坡陡，沖溝發育，與隧道軸線走向近似平行。地表為巖溶侵蝕、剝蝕深切形成的低山-丘陵地貌，地形上表現為較陡斜坡，植被發育，覆蓋密集的灌木叢。隧道穿過區域的底層巖性主要有灰巖、砂巖、粉砂巖夾頁巖、泥巖及白云質灰巖，巖層上覆種植土、碎石土、亞黏土、黏土，巖體弱-強風化，節理裂隙一般發育，整座隧道的巖體均較破碎。隧道進出口段均處于松散的殘坡積層中，成洞條件差，容易坍塌。隧道地下水主要為裂隙水和巖溶水兩種類型，其中裂隙水主要賦存于地層巖石的裂隙中，巖溶水主要賦存于灰巖中，該地層裂隙、巖溶較發育，是地下水賦存的有利地層，水量較豐富。根據鉆探調查，流量為0.05 L/s和0.01 L/s，鉆探未發現穩定地下水位，但由于圍巖裂隙、巖溶發育，隧道施工中易產生滲水、突水、突泥現象。

2 施工狀況與原因

2.1 施工狀況

2009-04-23，施工隊于隧道出口左洞單向進洞（進洞樁號ZK116+923），掌子面施工至ZK116+894發生小塌方冒頂，施工至ZK116+877發生大塌方冒頂;2009-06-11，施工隊對隧道出口右洞實施進洞（進洞樁號K116+846），掌子面掘進至K116+813、K116+765分別發生小塌方冒頂，隨著工程推進，由于洞內溶洞、溶槽極其發育，溶洞壁節理裂隙發育、不穩定，溶洞填充大量松散土體，且隧道富水，多次發生突泥、突水及涌水，導致發生數次塌方。2009-06-18晚上9點左右，本隧道左洞ZK116+877掌子面按SZ5+型初期支護、噴射混凝土即將完時，拱頂開始出現少量掉土情況，約20 min后，拱頂靠左側（面向隧道）突然掉下兩塊大的孤石，孤石不規則，每塊孤石體積約3 m3，重量約5 t，隨后即發生持續不斷的大面積坍塌直至地表沉陷冒頂，并導致洞內一定范圍初期支護完全破壞。由于發生塌方的時間是晚上，且當天晚上塌方一直持續不斷，為了保證人員的安全，當天晚上項目部禁止相關人員上山調查。第二天早上，通過對地表塌陷情況的調查，基本情況如下：地表沉陷的縱向長度約為20 m（樁號ZK116+885～ZK116+865，其中ZK116+885～ZK116+877初期支護完全破壞），寬度約為18.5 m，同時塌陷體周圍出現2～6 m寬度、長度不同的牽拉裂縫，裂縫最大寬度為40 cm。

2.2 原因分析

（1）面向隧道掌子面右側開挖輪廓以下約1.2 m為紅黏土，極其松散，紅黏土下面為白云質灰巖夾土，巖石強度較高，開挖輪廓外長有石筍，下部需進行爆破開挖;面向隧道掌子面左側開挖輪廓以下約4 m為紅黏土夾少量孤石，紅黏土以下為白云質灰巖，下部需爆破開挖。塌方情況如圖1所示。

（2）塌方處初期支護距離前方掌子面約有40 cm的工作空間，盡管上次爆破后對掌子面進行了素噴混凝土，但爆破對土體產生較大的擾動，上覆地表土層較薄、松散，沒有自穩能力，無法形成承載拱，導致左側出現掉土現象，隨著孤石周圍土掉空，孤石掉落，進一步導致周圍土體塌下。

3 塌方處理措施

針對出現的塌方、冒頂情況，項目部會同相關人員集中討論，采用洞內洞外綜合治理的方法，具體處理方案及其步驟如下：

3.1 塌體加固處理

坍塌停止、排除危險情況后，在洞內利用塌下的土體及漿砌片石、噴射混凝土等封堵掌子面。

3.2 地表截水排水

在地表塌陷體四周 5～10 m位置處設置截水溝，地表塌陷體上覆蓋防水布、裂縫處用水泥砂漿填塞，防水布周圍做好臨時排水溝，截、排水溝應保證水流順排，且在地形較低處設置引出口，使水能夠及時排出，防止降雨和地表水流入洞內導致出現更大范圍的坍塌。

3.3 洞內已施工地段臨時支護加固

對沒有損壞部分的初期支護沿掌子面后退方向設立縱向5 m的臨時支護加固措施，支護的措施是采用與原支護斷面相一致的工字鋼，工字鋼的環向間距為1 m，工字鋼與初期支護面空隙處采用木楔楔緊，同時通過縱向連接筋將所有的工字鋼連接成一整體。

3.4 洞外坍塌面處理

地表塌陷形成坑體的四周坡面先按1∶0.75坡率清除松土，清除一級，防護一級，防護措施采用錨噴掛網方式臨時穩固四周坡面。噴射混凝土厚度15 cm、8 mm鋼筋網孔尺寸為20×20 cm，臨時穩固坡面后與坡面基本呈垂直方向打入89×6 mm鋼管，注漿以穩固塌陷體周圍地表。前坡面（樁號減少方向）鋼管打入長度平均為18 m，后坡面為10 m，左右坡面則打入50×5 mm小導管，小導管單根長度為3.5 m，鋼管均按橫豎1×1 m梅花形布置，隨后用1∶1水泥漿進行注漿，注漿壓力為1.5～2MPa。四周坡面處理完畢進一步對塌陷坑底打入長6 m、50×5 mm小導管，小導管平面布置為縱橫1×1 m，然后采用與上述相同參數注漿。洞外坍塌面相關處理如圖2所示。

3.5 洞內處理

（1）地表加固完畢后進行洞內處理，洞內穩固掌子面后沿隧道輪廓打設89×6 mm鋼管并注漿，注漿參數與以上相同，鋼管長度以穿過塌陷體3～4 m為宜，環向間距20 cm，每次打入鋼管長度為7 m。考慮2 m縱向搭接長度，同時工字鋼間距由原設計的50 cm調整到30 cm，并增設徑向小導管注漿（50×5 mm、0.5×0.5 m縱橫布置），其他參數采用設計的S5+型支護參數。處理長度自目前初期支護已破壞的ZK116+885起至塌陷體縱向前方5 m左右。

（2）對ZK116+877～ZK116+885段已損壞的初期支護中的噴射混凝土、鋼筋網、錨桿按原設計參數重新補強。

（3）對洞內處理時，為了保證施工的安全，鋼管超前支護注漿完畢后，架立拱架時先掏出擬設工字鋼環向一榀鋼架位置的土體，隨后架立鋼架，鋪設鋼筋網、噴混凝土。洞內相關處理如圖3所示。

（4）加快二次襯砌施工，增加塌方處的受力結構，加強監控量測。當支護面已處于穩定狀態，并且二次襯砌已到該處時，再進行臨時拱架的拆除。

3.6 洞外坍塌坑體回填

待隧道二次襯砌施工完成后，對坍塌坑體采用回填土夯實，并用水泥砂漿封面。

3.7 后續施工防塌控制

（1）做好前方掌子面的探測工作。隧道施工雖有地質超前預報工作作為輔助指導，然而預報設備及技術仍然不很成熟，預報反映情況與實際情況出入較大，因此施工隊必須做好超前水平鉆工作，即開挖掌子面前可用風槍進行超前鉆探來探測前方地質水文情況。

（2）在不能準確確定掌子面前方地質條件的情況下，盡量做到短進尺、弱爆破，即使掌子面圍巖狀況較好，這樣可降低塌方的風險。

（3）當掌子面有發生少量滲水時必須引起高度重視，開挖、支護必須小心謹慎，特別是發現圍巖間隙夾有土層時更應注意，很可能該處存在溶洞、溶槽及填充物。

（4）當掌子面出現突水、涌泥時，在能堵的情況下盡量以堵為主，隨后注入雙液或單液漿進行固結，否則，隨著泥土、水不斷地涌出，很容易發生塌方。對松散的土體，除了強調注漿效果外，應改變開挖工法，可采用分步小斷面進尺，挖開一部分即支護一部分，減少臨時外荷載的作用，盡早形成結構受力體系，同時加快仰拱及二次襯砌的施工。

（5）要選擇業務素質高、專業技術可靠的施工隊伍，同時必須加強現場監控及管理工作，發現問題及時匯報、指正，規避塌方風險。

4 處理效果

本工程根據以上處理方案，安全地完成了虎形山隧道塌方處理的各項工作。通過檢測，加固后的圍巖是穩定的，確保了隧道后續施工能順利進行，減輕了塌方后對項目工期、造價和安全等造成的一系列問題。

5 結語

總之，在巖溶較發育區域進行隧道施工，發生塌方風險較大。施工過程中，需加強超前地質預報，加強施工監控，發現存在巖溶時，應及時進行超前鉆探，探明巖溶范圍并采取有效的開挖支護方式，以避免和防止塌方，確保隧道施工順利進行。本文通過分析隧道塌方的原因，提出處理和預防措施，希望能對隧道施工有所幫助。

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